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Detektor

Der Detektor - Die Reise der Elektronen findet hier ihr Ende:

Nach Durchlauf des Bremspotentials vom Hauptspektrometers werden alle
ß-Elektronen wieder auf ihre Anfangsenergie beschleunigt und magnetisch zum
Focal-Plane-Detektor (FPD) geführt. Der FPD befindet sich innerhalb des zweiten Magneten
eines Paares supraleitender Magnete. Um die Hintergrundrate des Detektors zu
verringern ist der Einschluss dieses Magneten mit großem Durchmesser groß genug, um
in dem von Ihm umschlossenen Innenraum
eine aktive und passive Detektorabschirmung zu ermöglichen. Der Detektor ist ein multi-Pixel
Silizium-Halbleiter-Detektor mit hoher Energieauflösung und dünnem
Eintrittsfenster.

Im Prinzip würde KATRIN nur einen einfachen Elektronenzähler benötigen, um festzustellen,
wie viele Elektronen das Bremsspotential überschritten haben. Allerdings sind in der Praxis die
Energie-, räumlichen und zeitlichen Informationen sowohl für das Verständnis der
Funktionsweise des Geräts als auch für die Quellen des Hintergrunds von großer Bedeutung.
Es gibt zwei Hauptgründe, warum wir mehr Informationen benötigen als nur das Zählen der
Elektronen:

  • Die elektrischen Potentiale, z.B. an der Quelle und an der Analyseebene des Hauptspektrometers variieren geringfügig, abhängig von der radialen Position. Diese Verzerrungen können berechnet oder gemessen werden. Beim Passieren der Analyseebene wird die Position der Elektronen abgebildet, in der sie auf den Detektor auftreffen. Ein positionsempfindlicher Detektor ermöglicht es, die unterschiedlichen elektrischen Potentiale abzubilden und Korrekturen an jedem detektierten Elektron vorzunehmen.
  • Es gibt verschiedene Hintergrundquellen: Hauptsächlich Elektronen die durch Ionisation im Restgas erzeugt werden, Elektronen aus Wechselwirkungen mit kosmischen Strahlen und γ-Strahlen aus natürlicher Radioaktivität, die vom Material um den Detektor und vom Detektor selbst ausgehen. Auch hier helfen Positionsinformationen, aber am wichtigsten ist die genaue Bestimmung der Energie der jeweiligen Elektronen. Die ß-Elektronen von Interesse treten in einem engen Energiefenster auf, während Hintergründe über einen großen Bereich von Energien variieren. Daher verbessert eine genaue Energiebestimmung die Unterscheidung von ß-Elektronen und Hintergrund.

Der Detektor ist ein riesiges PIN-Diodenarray auf einem 5"-Wafer, bestehend aus
148 Pixeln, die in einem "Dartboard"-Muster angeordnet sind und die räumliche Information
liefern. Die typische Energieauflösung eines einzelnen Pixels beträgt 1,4 keV (FWHM).
Um intrinsische Hintergründe zu reduzieren ist der Detektor mit einer zylindrischen Blei- und Kupferabschirmung umgeben.
Hintergründe von kosmischen Strahlen werden mit einem
zylindrischen Kunststoff-Szintillator-Veto markiert, der die Blei und Kupferabschirmung
umgibt. Die Signale vom PIN-Diodenarray und dem Veto werden mit einer speziell entwickelten
Elektronik ausgelesen. Diese beinhaltet Front-End-Vorverstärker,
Signalverarbeitung durch das Datenerfassungssystem und Auslesesoftware sowie
Analysetools.

Um Hintergründe zu reduzieren und mit extremen Ultrahochvakuumanforderungen kompatibel zu
sein, musste bei der Konstruktion und Herstellung des Detektors besondere Sorgfalt
angewendet werden. Keine dieser Anforderungen wird durch standardmäßige industrielle
Montage- und Verbindungstechniken für Multipixel-Siliziumdetektoren erfüllt.
Die Kompatibilität mit Magnetfeldern von bis zu 6T und die Tatsache, dass Elektronik in
der Nähe des Detektors platziert werden muss, stellen zusätzliche Designherausforderungen.
Die Lösung bestand in der Verwendung einer maßgefertigten Vakuumdurchführung mit
gefederten Stiften, die die einzelnen Pixel kontaktieren. Die radioaktiv „heiße“
Elektronik befindet sich auf der anderen Seite des Vakuumflansches und kann dort mit
hochreinem Kupfer abgeschirmt werden.

Das FPD-System ist in der Lage, die vom Hauptspektrometer kommenden Elektronen mit
30 kV zu "nachzubeschleunigen", wodurch sie von Bereichen hoher Aktivität zu
Bereichen niedriger Aktivität gebracht werden. Somit lässt sich das Signal besser vom Hintergrund trennen.
Die Nachbeschleunigung birgt eine Reihe
von Herausforderungen. Der Detektor und seine Ausleseelektronik müssen bei einer Vorspannung
von bis zu +30 kV ausgelesen werden. Das Anlegen hoher Beschleunigungsspannungen bei
Magnetfeldern von bis zu 6 Tesla erfordert ein sorgfältiges Design, um Entladungen zu
vermeiden, die den Detektor und die Elektronik beschädigen können.

Die hier gegebene kurze Zusammenfassung kann nur einen groben Überblick geben. Eine
detailliertere Diskussion des Focal-Plane-Detektors findet sich im KATRIN Design Report
2004 bzw. in einer kommenden Publikation (Link folgt, sobald veröffentlicht).
Hochauflösende Fotos finden Sie in der Mediengalerie dieser Homepage.